Функции передачи постоянного тока на базе преобразователей напряжения в режиме установившегося короткого замыкания в энергосистеме

Интерес к передачам и вставкам постоянного тока на базе преобразователей напряжения (ППТН, ВПТН) обусловлен развитием на современном этапе силовой электроники и регуляторов систем управления (СУ) преобразователями. Формируются и новые функции передач, обусловленные, в первую очередь, тем, что ППТН могут с высоким быстродействием регулировать потоки активной мощности, а также генерацию или потребление реактивной мощности в примыкающих узлах энергосистемы. Как следствие, ППТН позволяют влиять не только на установившиеся процессы в энергосистеме, но и на переходные процессы, происходящие даже еще до реакции энергосистемы на работу систем возбуждения синхронных генераторов. Часто в аварийных режимах новым установившимся состоянием энергосистемы может быть длительное короткое замыкание (КЗ). Определим функции ППТН в этом режиме.

Структурная схема ППТН и ее регуляторов

ППТН – это линия электропередачи и концевые подстанции: выпрямительная и инверторная. Преобразователи на подстанциях идентичны и выполнены по схеме преобразователя напряжения (ПН), они работают в любом из четырех квадрантов мощности [1] и создают в узлах примыкания к сети переменные напряжения с регулируемыми амплитудой и фазой. В этом состоит основное функциональное отличие ППТН от ППТ на преобразователях тока с фазовым регулированием, в которых переменные напряжения на концевых подстанциях определяются сетевыми напряжениями, которые являются и источниками токов, приводящих к коммутации вентилей в преобразо- вателях. Это в конечном итоге и определяет ограниченные возможности управления режимами энергосистем ППТ на базе преобразователей тока. Несмотря на то, что структуры систем управления ПН на выпрямительной и инверторной подстанциях, как и сами ПН, одинаковы (рис. 1), действия их регуляторов индивидуальны и соответствуют текущему режиму работы каждого из преобразователей.

Обычно на стороне постоянного тока на одной преобразовательной подстанции поддерживается выпрямленное напряжение, на другой – активная мощность. Если на выпрямительной подстанции работает регулятор мощности, то на инверторной – регулятор постоянного напряжения и наоборот. На стороне переменного тока каждый из преобразователей регулирует в примыкающем узле реактивную мощность. При регулировании учитываются ограничения по полному току ключей и генерируемому переменному напряжению ПН [2]. В нормальных режимах ППТН к вышеперечисленным регуляторам можно добавить регулятор, отвечающий за поддержание неизменной частоты на инверторной подстанции в случае отсутствия собственной генерации в связанной с ней сети [3–6]. Кроме этого, возможен режим работы с подавлением низкочастотных колебаний в энергосистеме [6]. Уставки этих регуляторов выбираются в соответствии с заданным системным оператором режимом, либо по неким оптимизационным критериям напряжений или потерь в энергосистеме. Принципы работы регуляторов в нормальных режимах работы ППТН достаточно изучены [5–9]. Рассмотрим их действие при КЗ.

Рис. 1. Система управления ППТН

Режим установившегося короткого замыкания

Для анализа режима установившегося КЗ в электрической сети воспользуемся программой расчета длительных режимов энергосистемы, раз работанной на кафедре ЭССиС в среде Labview [4] На рис. 2 изображена схема тестовой сети 220 кВ с ППТН между узлами 3 и 4.

Рис. 2. Тестовая сеть 220 кВ. Режим КЗ в сети, примыкающем к узлу 6

Ус тан ов и в шее с я К З в с е т и, прим ыка ющей к у злу 6, м оде л ир у е м ш у нто м с доба в очной реактивной мощн остью в э том у з л е . При этом на пряж ен и е в у з л е 4 сни ж а е тся д о 200 кВ. Пе рв она ча л ьно д л я в ос ста новл е н ия нап ряж е н ия в ра с с м а тр ив ае м ой с е т и форс ир у е м ре а кти в н у ю м ощнос т ь пре обра зов а те л я и нв е рторной п одс танц ии. Дл я диапа з она напряж ени й в у з л е от 160 до 22 0 кВ построим PQ - ди а грам м ы ПН ин в е рторной по дста н ци и , у чи тыв а я огра нич е ние по полному то к у вентилей.

Каждая из дугообразных кривых PQ-диаграмм (рис. 3) состоит из трех характерных участков. На первом небольшому снижению P соответствует резкий рост Q, затем Q изменяется практически пропорционально снижению P, и наконец, при малых значениях P реактивная мощность практически не меняется. Таким образом, чем сильнее просадка напряжения в сети при КЗ, тем, форсируя реактивную мощность на одну и ту же величину, нужно больше снизить активную мощность передачи. При этом, чем сильнее снижение Р, тем более неэффективна форсировка по реактивной мощности. В результате видим, что чем ближе место КЗ в сети к ППТН, тем сложнее ее форсировать, так как в отличие от синхронного генератора преобразователи ППТН допускают более низкую перегрузку по току [6].

Для рассматриваемой сети рассчитано семейство кривых (наклонные линии на рис. 3), показывающих величину реактивной мощности, которую ПН-Inv, примыкающий к узлу 4, должен выдать в узел, чтобы поднять на заданную величину ∆ U напряжение в узле при рассматриваемом КЗ в сети и нормируемой активной мощности ППТН. Для расчетного режима длительного КЗ (см. рис. 3), снизив активную мощность передачи до 60 МВт, удается выдать в узел 90 МВАр и поднять напряжение с 200 до 213 кВ.

В режиме форсировки инвертора не были задействованы возможности ПН выпрямительной подстанции, что соответствует двум возможным случаям: соединению ППТН разных энергосистем или работе протяженной передачи в разветвленной сети. Проанализируем возможности совместного регулирования преобразователей на концевых подстанциях передачи. При КЗ напряжение узла 4 снизилось до 200 кВ, регулятор напряжения инвертора за счет выдачи 20 МВАр увеличил напряжение узла 4 до 203,4 кВ. Если при этом в узле 3 провести дополнительно генерацию 50 МВАр, то напряжение узла поднимется до 219 кВ. Это, в свою

Рис. 3. PQ -диаграммы ПН при различных напряжениях узла 4

очередь, приведет к повышению напряжения в узле 4 до 207 кВ, и появится возможность выдачи в узел 4 преобразователем ПН-Inv дополнительно 18 МВАр. В результате напряжение узла станет 210 кВ.

В случае более глубокой просадки напряжения при длительном КЗ потребуется снизить активную мощность передачи. При этом механизм совместного регулирования будет тем же: каждая из преобразовательных подстанций, увеличивая выдачу реактивной мощности, будет все больше расширять возможность выдачи реактивной мощности другой подстанции. Успех в достижении заданной уставки по напряжению в узле 4 будет зависеть только от минимально допустимой мощности передачи и начальной величины напряжения в узлах 3 и 4. Так, например, при снижении напряжения до 190 кВ и минимально допустимой активной мощности ППТН 70 МВт напряжение 4 узла удастся поднять до 210 кВ (при этом ПН выпрямительной подстанции будет генерировать 88 МВАр, а инверторной – 80 МВАр). Следует заметить, что скорость протекания описанного процесса зависит от топологии сети и расстояния между узлами 3 и 4, так как индуктивности линий 4–8 замедляют восстановление напряжения.

Выводы

Рассмотренные режимы форсировки ППТН при установившихся КЗ показали возможность восстановления уровней напряжений в рассматриваемой сети на 10–20 кВ. В работе принят один из возможных вариантов структуры регуляторов (СУ) ППТН, показана область режимов работы, соответствующая ограничениям преобразователей передачи по току и требованию по поддержанию необходимого напряжения. Показано, что модель поведения СУ ППТН зависит от топологии схемы сети и расчетных режимов КЗ. Поэтому на этапах разработки и наладки СУ желательно рассмотреть возможные КЗ в энергосистеме для формирования общей для разных КЗ реакции передачи. Управление передачей при КЗ в энергосистеме, как минимум, должно опираться на сигналы о параметрах энергосистемы в узлах примыкания ППТН и поэтому должно быть централизованным. Сложно определить универсальную структуру СУ и ее настройку, соответствующую оптимальному управлению ППТН при КЗ, поэтому управление передачей должно быть не только централизованным, но и адаптивным.